基于PμSL技術(shù)的微米級(jí)可拉伸電子一體化制造

柔性可拉伸電子器件具有可彎曲、可拉伸和可扭曲的優(yōu)異力學(xué)特性，其在生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)器人技術(shù)、人機(jī)界面等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用重要性日益凸顯。常見制備方法一方面是開發(fā)本征可拉伸的導(dǎo)電材料，例如摻雜導(dǎo)電納米材料的軟彈性體、導(dǎo)電聚合物和水凝膠等。但是，這些新型材料通常電導(dǎo)率較低、機(jī)電穩(wěn)定性能較差和易對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)造成干擾。另一方面則是通過構(gòu)建如平面蛇形等幾何結(jié)構(gòu)來提升傳統(tǒng)導(dǎo)電材料（包括金屬等）在力學(xué)服役下的最大可拉伸應(yīng)變。雖然以上兩種（結(jié)合）方法都已有大量報(bào)道，然而大部分的可拉伸電子受限于加工方式的難度，制備的結(jié)構(gòu)大多集中在二維平面尺度，限制了可拉伸電子在三維方向的應(yīng)用擴(kuò)展。

近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系陸洋，南方科技大學(xué)葛锜與西安電子科技大學(xué)高立波等合作報(bào)道了一種相對(duì)便捷、靈活和可批量制造的可拉伸微電子的高精度制作方法。通過利用摩方精密開發(fā)的基于面投影微立體光刻（PμSL）的3D打印技術(shù)（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China），實(shí)現(xiàn)了一種通用的微加工工藝，可以以2μm的高分辨率獲得以前無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜3D幾何形狀。后續(xù)結(jié)合磁控濺射工藝，可制備3D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有出色的可拉伸性（~130％）、貼合性、穩(wěn)定的導(dǎo)電性（在100％拉伸應(yīng)變下電阻變化小于5％），以及循環(huán)載荷下的穩(wěn)定性。與2D結(jié)構(gòu)相比，3D微結(jié)構(gòu)具有緊湊的幾何形狀，并且其可以在平面外自由變形的特點(diǎn)使適應(yīng)更大的拉伸應(yīng)變成為可能。

圖1. 基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印的可拉伸微電子的制作過程：3D幾何設(shè)計(jì)、PμSL 3D打印、磁控濺射導(dǎo)電金屬薄膜、組裝和應(yīng)用

此外，利用基于PμSL的3D打印技術(shù)可以制作高度復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，該方法可實(shí)現(xiàn)集成電路的一體化制造。例如，研究者們制造了由三維可拉伸微結(jié)構(gòu)連接的復(fù)雜三維電容式壓力傳感器陣列。憑借其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高通量性、加工方式便利性和器件制造一體化性，該研究成果在集成3D可拉伸電子系統(tǒng)上顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

圖2. 三維可拉伸導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)的力學(xué)和電學(xué)魯棒性測試：拉伸、彎曲、循環(huán)和面外壓縮加載下的電阻變化

圖3. 3D打印三維可拉伸電子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表征和變形能力測試

圖4. 三維可拉伸電容式壓力傳感器陣列示意圖、細(xì)觀實(shí)物圖和性能測試結(jié)果

該項(xiàng)研究成果獲得深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目支持，以“Three-Dimensional Stretchable Microelectronics by Projection Micro Stereolithography (PμSL)”為題發(fā)表于新一期知名期刊《ACSApplied Materials & Interfaces》（香港城市大學(xué)王月皎博士生為第一作者）。